香港理工大学黄海涛教授/西北工业大学谢科予教授JMCA：电还原CO2流动电解槽结构设计与优化- 大数跨境

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香港理工大学黄海涛教授/西北工业大学谢科予教授JMCA：电还原CO2流动电解槽结构设计与优化

科学材料站

2021-08-24

导读：该综述详细介绍了CO2电还原反应中反应器结构和系统工程策略，为其潜在的工业应用提供了进一步的启示和参考。

文章信息

第一作者：马对

通讯作者：金婷*，谢科予*，黄海涛*

单位：西北工业大学，香港理工大学，西北工业大学深圳研究院

研究背景

通过电化学还原将二氧化碳转化为增值燃料或化学品是降低大气中二氧化碳含量和缓解全球变暖的有前景的途径之一。这种方法具有温和的运行条件，调整产品分布，允许模块化设计，并为碳密集型制造业利用可再生能源还原二氧化碳提供机会。

近几十年来，研究人员利用各种有效策略开发出多种高效率、高选择性的电催化剂来还原二氧化碳。遗憾的是，在集中发展新型电催化剂的同时，低成本、大规模的CO2还原电解槽结构的工程设计却很少受到重视，这阻碍了新型电催化剂效益的充分实现。

本文综述了近年来CO2还原反应中反应器结构和系统工程的研究进展。文章主要从四个方面详细深入讨论了如何提高CO2还原反应的性能: (i)流池结构，(ii)反应物输送的管理，(iii)膜，(iv)电解液。

文章简介

本文中，香港理工大学的黄海涛教授与西北工业大学的谢科予教授、金婷教授共同在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“An overview of flow cell architectures design and optimization for electrochemical CO2 reduction”的综述文章，并入选期刊HOT Papers。该综述详细介绍了CO2电还原反应中反应器结构和系统工程策略，为其潜在的工业应用提供了进一步的启示和参考。

本文要点

要点一：流动反应器的类型

膜基流动池：由燃料电池或水电解槽演变而来的膜基流电池因其有效的传质效率和大电流密度（超过100 mA cm-2）而受到广泛关注。聚合物电解质膜作为夹在流动的阳极和阴极电解质之间的隔膜，以促进离子流动并减弱产物交叉。

CO2饱和阴极电解质和阳极电解质都可以通过泵连续循环，而气态CO2作为反应物直接输送到阴极催化剂覆盖的气体扩散电极的反面。与传统H型电池相比，由于电极表面CO2浓度较高、聚合物膜与催化剂表面的直接接触效应以及电催化剂底材的可用范围等因素，流动反应器具有更好的电化学CO2还原效率，是一种更适合大规模商业应用的技术。

微流体流动池：两个气体扩散电极分别涂覆了用于CO2还原的阴极催化剂和用于析氧反应的阳极催化剂，连续流动的CO2作为反应物直接输入，并通过气体扩散层迅速扩散到催化剂和电解质界面。这种电解池结构依赖于超薄流动电解质通道（小于1mm）用于分离阳极和阴极。

不同于膜基流动池，这种微流体流动配置，由于产物扩散缓慢，反应物和产物的交集是可控的。此外，微流体电解反应器不仅避免使用昂贵的膜，而且允许灵活管理操作条件，包括电解质组成和pH值。

零间隙电解槽：它是将阴极和阳极电极压在一起，中间夹有离子交换膜，形成零间隙电解槽。连续加湿的CO2气流直接供应到阴极，二氧化碳的还原发生在膜和阴极电极之间的边界处。该装置相对于微流体流动池的主要优点是，通过加压可以相对容易和显著地增加CO2浓度，从而产生更高的电流密度和反应速率。

要点二：反应物输送的管理

流场设计：水和CO2的输送和管理受到温和的化学电池宏观几何部件的影响，这些部件控制电池内气/液流动的流体动力学。带有流场的双极板可以通过调节流场因子来影响CO2或H2O在流动电解槽中的分布。流场设计的一个关键挑战是如何通过合适的流场模式来改善流体管理。

气相CO2供给：CO2可以通过溶解在弱碱性溶液（通常是碳酸氢盐水溶液）或直接使用气相两种形式输送到阴极。由于CO2在水介质中固有的低扩散和低溶解度，CO2在液相中的还原电流密度限制在30 mA cm-2左右，这代表了在使用中的催化析氧反应和催化CO2还原之间的显著不匹配。

虽然电解液的连续流动可以在一定程度上克服CO2在液相中扩散的限制，但水溶液中的CO2浓度基本上受环境条件的限制。直接将纯CO2气体送到阴极，增加阴极催化剂表面有效CO2分子的浓度，从而提高反应速率。

气体扩散层：气体扩散电极（GDE）为气体反应物、电极和电解质创建了一个有效的三相界面，为促进传质过程和总体CO2RR速率提供了一个有前景的途径。典型的GDE体系结构中包括气体扩散层（GDL）和催化剂层（CL）。

GDL通常是由密集排列的碳纤维和排列更紧密的微孔碳层组成的多孔基质。GDL可以快速将气态CO2转移到CL，扩散途径更短。同时，由于GDL电阻低，它还可以作为质子、电子和产物从CL表面进入电解液相的输运介质。在延长反应物与催化位点的接触时间、提高电化学反应的传质效率和电流密度方面取得了显著的效果。

要点三：交换膜

聚合物电解质膜(PEMs)分离电解装置的阴极和阳极，调节半反应离子流向方向，同时减少产品交叉。它们还提供机械支持，以承受隔间之间的压力差异。用于CO2还原系统的交换膜有三类，包括阳离子（或质子）交换膜（CEMs）、阴离子交换膜（AEMs）和双极膜（BPMs），类似于水分解电解槽中的交换膜。

交换膜的类型直接决定了离子在电解槽阳极和阴极之间的传输路径。CEMs可促进阳离子从阳极流向阴极。AEMs调节阴离子(如OH-)从阴极液到阳极液的流动。BPMs在反向偏压下促进水解离以分别将OH-和H+驱动至阳极和阴极。BMPs明显优势是可以在电解池的阴极室和阳极室保持恒定的pH值，使每个半反应都可以独立选择理想的pH条件。

要点四：电解液

电解液是电催化CO2RR的一个重要组成部分，其主要功能是在电极之间传导离子电荷。理想的电解质应具备但不限于CO2溶解度高、高离子电导率、电化学稳定性高、良好的化学与电极材料的兼容性、低粘度的电解液、以确保良好的二氧化碳质量传递、容易操作和存储、安全等。因此，选择正确的电解质将对电化学CO2RR系统的性能至关重要，该系统可以选择性和有效地将CO2转化为目标产品。

要点五：总结与展望

电化学二氧化碳还原技术作为一种清洁、可持续的未来技术，在催化剂设计创新和反应器系统工程方面取得了较大的进步。CO2RR的效率和产物选择性不仅取决于电催化剂，而且在很大程度上还受电解槽结构的影响。

正在开发中的连续流动二氧化碳电解池增加了大规模二氧化碳还原过程的可能性。在这篇综述中，作者详细研究了非催化剂单元和原料特性对流动电解池整体CO2还原性能的影响，包括反应器设计、流场、反应物供应、电极结构、交换膜和电解质效应，总结了不同电解池和各关键组件的特性和优缺点，为将来的电解还原CO2工业应用提供了有价值的见解。

文章链接

An overview of flow cell architectures design and optimization for electrochemical CO2 reduction

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ta/d1ta06101a

通讯作者介绍

黄海涛，香港理工大学教授。

长期从事电介质材料和新型低维纳米结构新能源材料的制备、性能表征及物理机制研究。至今发表包括Nature，Nature Photonics，Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environment Science, Advanced Materials, Joule和Chem等国际著名学术期刊论文近300篇，被引>13,000次。与“集成铁电之父”J.F.Scott教授联合编著《Ferroelectric Materials for Energy Applications》一书。曾荣获国土资源部科学技术二等奖（2017）和教育部高等学校科研优秀成果自然科学二等奖（2019年）。现任国际学术期刊Advanced Materials and Devices的副主编和多个国际学术期刊的编委。于2019年当选国际电化学能源科学院（IAOEES）理事。

谢科予，西北工业大学教授。

主要从事功能电极材料及其低碳电化学应用研究。先后承担10余项国家、省部级项目；发表Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environment Science、Nano Letters等学术论文90余篇，撰写英文专著1章，申请发明专利30余项，已授权20余项，获省部级奖项2项。现任《稀有金属（中英文版）》、《中南大学学报（英文版）》青年编委。

金婷，西北工业大学教授。

主要从事先进二次电池(锂/钠离子电池)电极材料及功能电解液设计与开发。迄今已以第一/通讯作者身份在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials 、Advanced Energy Materials、Nano Energy等高水平学术期刊发表SCI论文10余篇，其中ESI高被引论文1篇，封面类论文1篇，论文被引1300余次。